Angew. Chem. Int. Ed. 利用凝胶电解质收集人体热量制作可穿戴热电池

【引言】

现代社会面临着严重的能源危机，因此，开发低成本、环境友好的能源材料势在必行。人类生活的环境和工业生产中存在着大量的热能，利用新材料收集这些热能并将其转换为电能就是一种很好的解决方案。

【成果简介】

近日，来自华中科技大学武汉光电国家实验室的周军教授（通讯作者）等人开发出了一种新型的凝胶电解质，可以用来收集人体热量进行发电。不同于太阳能电池、摩擦发电材料、驻极体发电机和传统的热电材料，新材料具有较高的塞贝克系数，并且原料廉价，制作简单，这避免了传统的固态热电材料易碎、加工过程复杂的缺点，有望作为电源应用于柔性的可穿戴设备上。

实验中制备了两种热电胶体电解质，分别具有正负塞贝克系数，这与传统热电发电机的n型和p型组分对应。新型的胶体电极具有优异的热电性能和良好的机械强度。基于热电胶体电解质的热电发电机可以作为柔性可穿戴设备的电源。实验结果表明，利用人体热量进行发电的开路电压达到1V。

这项工作为自供电的可穿戴系统提供了一种新的思路，利用热电材料收集热量，将其转化为电能的方法具有巨大的应用潜力和研究价值。

【图文导读】

图1  热电池的基本结构和工作原理

左上图是热电池的结构图。聚乙烯醇/氯化铁/氯化亚铁胶体(PFC)和聚乙烯醇/铁氰化钾/亚铁氰化钾胶体(PPF)交替排列，放置在两层聚酰亚胺(PI)之间，并用Au/Cr电极进行连接。下方的放大图是热电材料工作时的原理图。对于PFC和PPF来说，当环境中存在温差时，二者内部就会产生方向相反的电流，因此将其连接起来就可构成回路。右上图为热电材料集成电路的光学照片。

图2  热电胶体的物理状态和机械性能

图a为用激光照射胶体溶液时的照片。其中a1)为 PFC 胶体， a2)为FeCl2/FeCl3溶液， a3)为PPF胶体，a4)为 K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6溶液。光线穿过液体时发生了明显的光散射，说明制备的液体十分均一。

图b为PFC和PPF胶体薄膜的应力-应变曲线。在较大的应力下，PFC和PPF胶体薄膜都表现出了良好的可塑性和机械性能。

图3  单个PFC和PPF的热电性能

图a是热电压随温差的变化图。图b是短路电流随温差的变化图。实验中，保持热电池热端和冷端的距离为1mm，每个电极直径为3mm。热端和冷端的温度分别由电加热板和循环水控制。图b中的小图是在温差为10℃时，电流随时间的变化曲线。

图c是电导率随温差的变化图。图d是在室温(23℃)时的热导率。图中黑色曲线代表PFC，红色曲线代表PPF。

图4 将PFC和PPF用Au/Cr电极连接后的热电性能

图a是电压和电流随温差的变化图。其中黑色直线为电压-温差图，红色直线为电流-温差图。图a中的小图为PFC和PPF用Au/Cr电极连接的示意图。

图b是在温差为10℃时，稳态电压和输出功率随电流的变化图。图中黑色直线为电压-电流图，红色曲线为功率-电流图。

图5 可穿戴热电池的应用

图a是利用人体热量进行发电时的电压-时间图和电流-时间图。图中黑色曲线为电压-时间图，红色曲线为电流-时间图。小图是将可穿戴热电池与人体胳膊相连的照片。

图b是利用人体热量发电对不同电容器进行充电时的电压-时间图。小图是为电容器充电时的能量-时间图。其中黑色、红色、蓝色曲线分别是10μF、47μF、100μF的电容器。

文献链接：Wearable Thermocells Based on Gel Electrolytes for the Utilization of Body Heat (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI:10.1002/anie.201606314)

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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